生物炭结合氮肥减量对玉米产量和氮效率的影响

崔文芳，陈 静，鲁富宽，秦 丽，秦德志，王利平，高聚林

(内蒙古农业大学 a.职业技术学院；b.农学院，内蒙古 呼和浩特 010019)

玉米是内蒙古自治区的第一大作物。内蒙古平原灌区玉米高产创建的经验表明，为了给予高密群体充足的营养供应以达到产量目标，氮肥投入明显增多。这样一来，虽然实现了高光效和高产量，但氮效率较低。过量的氮肥投入和较低的氮效率给具有灌溉优势玉米产区的产量挖掘和大面积增效带来了诸多问题：第一，过量的氮肥投入使得生产成本和劳动成本明显增加。第二，过量的氮肥投入和较低的氮效率使得耕层氮素过量，限制根系伸展，从而加重了氮素吸收效率的降低。王启现等研究表明，在高强度的氮素供应条件下，根系与侧根的生长实际上处于受抑制的状态，表现为总根量低，根系分布浅，吸收效率低。高氮供应降低了根系向深层土体穿插的能力，从而抑制了其利用深层养分和水分的能力，限制了作物产量和水肥资源利用效率的提高。第三，氮肥的过量投入和较低的氮效率，使得土壤中的硝酸盐大量淋洗，大量的养分流失使得土壤越来越“薄”，酸化、板结等现象严重，土壤质量明显下降，同时也易导致水体富营养化等环境风险。在内蒙古平原灌区多次大量灌溉和大量施氮的条件下，土壤硝态氮淋洗的量更大，因此减少硝酸盐淋洗已成为提高当地氮效率的主要关注点之一。在此背景下，如何实现玉米氮效率的持续提高，已成为内蒙古平原灌区玉米产业发展中亟待解决的核心问题之一。

挖掘氮高效玉米品种的氮效率潜力是提升氮肥利用率、降低生产成本、减少环境污染的有效途径。要大幅度提高氮肥的利用率，就必须充分利用土壤和环境中的养分资源，实现土壤供应、根层吸收与氮高效品种的冠层利用在数量上匹配、时间上同步、空间上一致。

生物炭是农林废弃物等生物质在缺氧条件下经热裂解而形成的稳定的富碳产物，具有原材料来源广、孔隙结构好、吸附能力强等特点，且对氮、磷等作物所需的养分有较好的持留作用，可有效改善土壤理化性质，提高土壤保水、保肥能力，增加作物产量。生物炭的应用，一方面，可有效破解“秸秆焚烧”难题，减轻环境污染；另一方面，有利于解决传统农业长期从土壤“取多给少”而造成的地力下降的问题。充分发挥生物炭的来源、结构和特性优势，特别是生物炭对土壤性状、养分离子、作物生长等的良好作用，可与化肥配施产生良好的“减量增效”作用，对提高作物的肥料利用效率，提升土壤肥力水平和地力，促进农业生产可持续发展等具有积极意义。

在玉米养分吸收利用方面，国内外学者做过较多研究，但相关研究多注重于玉米冠层在单一生物炭条件下的养分吸收特征，关于生物炭结合减氮调控条件下氮高效玉米氮效率的研究相对欠缺。作者团队前期已就玉米氮高效品种及其氮高效特征进行了一些研究。在此基础上，本研究重点考查生物炭结合减氮调控措施下，氮高效和氮低效玉米品种的氮效率差异，以期为进一步提高玉米氮效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2019年在内蒙古农业大学中国·敕勒川农业博览园(土默特右旗萨拉齐镇北只图村)进行。试验地前茬作物也是玉米，土质是壤土，土壤有机质含量24.65 g·kg，碱解氮含量41.56 mg·kg，速效磷含量8.19 mg·kg，速效钾含量74.98 mg·kg。

1.2 试验材料

供试玉米品种：氮高效品种郑单958(ZD)，氮低效品种先玉508(XY)。

供试生物炭为玉米秸秆生物炭，由辽宁金和福农业科技股份有限公司提供，热解温度为500～600 ℃，基本性质如下：全碳42.5%，全氮8.9 g·kg，全磷3.8 g·kg，全钾32.3 g·kg，速效磷120 mg·kg，速效钾289 mg·kg，速效氮未检出。

1.3 试验设计

采用裂区试验设计，减氮处理是主区(对应于主处理)，品种是副区(对应于副处理)。主处理包括：C0(不加生物炭，纯N 300 kg·hm)，C1(生物炭3 000 kg·hm+纯N 300 kg·hm)，C2(生物炭3 000 kg·hm+纯N 255 kg·hm)，C3(生物炭3 000 kg·hm+纯N 210 kg·hm)，C4(生物炭3 000 kg·hm+纯N 165 kg·hm)。副处理包括ZD和XY两个品种。共10个处理，每处理重复3次。试验小区宽6 m，长4 m，南北行向，株距20 cm，行距60 cm，9行种植，种植密度为82 500株·hm。

生物炭于播种前结合耙地施入，耙地前均匀撒施，之后耙入深约10 cm土中。氮肥在拔节期和大喇叭口期以3∶7的比例施用，施用量按试验设计；磷、钾肥作基肥一次性施入，将肥料均匀撒于地表，结合翻地将其翻入耕作层中，施用量折纯分别为210 kg·hm(以PO计)和90 kg·hm(以KO计)。供试氮肥为尿素(N≥46.0%，四川泸天化股份有限公司)，磷肥为过磷酸钙(PO≥12.0%，陕西邦田化工有限公司)，钾肥为硫酸钾(KO≥52%，唐山三孚钾肥有限公司)。

供试玉米品种于2019年4月27日播种，5月10日出苗，6月23日拔节期追肥、灌第1次水，7月13日大喇叭口期追肥、灌第2次水，7月25日开花期灌第3次水，8月12日灌浆期灌第4次水，灌水总量为750 m·hm(第2次灌水210 m·hm，其余3次每次180 m·hm)，9月25日收获。

1.4 测试指标与方法

1.4.1 植株氮含量测定

分别于大喇叭口期(7月13日)、吐丝期(7月26日)、灌浆期(8月12日)、乳熟期(8月28日)、腊熟期(9月10日)，在各处理内选取整齐一致的植株3株取样，每株作为1个重复，将植株分为叶片、茎秆、穗轴、籽粒各部分，105 ℃杀青30 min，然后在80 ℃烘至恒重，用HSO-HO消煮-凯氏定氮法(K9840型全自动凯氏定氮仪，济南海能仪器股份有限公司)测定氮含量。

1.4.2 叶绿素相对含量测定

利用SPAD-502型叶绿素仪(日本Konica Minolta)，分别于大喇叭口期、吐丝期、灌浆期，每个处理定5株测定叶片的SPAD值，以测定的SPAD值的平均值作为该时期的SPAD值。以所测得的各时期SPAD值中的最大值作为SPAD值峰值。

1.4.3 光合速率测定

采用3051D型植物光合作用测定仪(浙江托普云农科技股份有限公司)，对1.4.2节选定的定株进行光合速率测定。以所测得的各生育时期光合速率的最大值作为光合速率峰值。

1.4.4 氮素相关指标计算

依据Moll等的计算方法，测算不同时期的植株氮积累量(kg·hm)、氮效率(NUE，kg·kg)、氮吸收效率(NUpE，kg·kg)、氮利用效率(NUtE，kg·kg)、氮收获指数(NHI)。

成熟期植株氮积累量为成熟期时植株地上部(包括籽粒)的氮素积累量。营养器官最大氮积累量是指植株地上部茎和叶氮积累量的最大值。籽粒氮积累量是指植株收获时籽粒中积累的氮量。营养器官氮转移量是指茎、叶向籽粒中转移的氮量，借助于营养器官最大氮积累量与籽粒氮积累量的和与成熟期植株氮积累量的差值表示；花粒期根系氮转移量是指花粒期由根系向籽粒中转移的氮量，借助于籽料氮积累量与营养器官氮转移量的差值表示。

氮效率=产量/供氮量；

氮吸收效率=成熟期植株氮积累量/供氮量；

氮利用效率=产量/成熟期植株氮积累量；

氮收获指数=籽粒氮积累量/植株氮积累量。

1.5 数据处理

利用DPS数据处理系统 V18.10官方高级版进行方差分析和相关分析，对有显著(<0.05)差异的，采用新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 生物炭结合氮肥减量对玉米氮积累的影响

不加生物炭的C0处理下，氮高效品种ZD的成熟期植株氮积累量和籽粒氮积累量均显著(<0.05)低于氮低效品种XY(表1)，但ZD的营养器官最大氮积累量却显著(<0.05)高于XY；同样施氮量添加生物炭的C1处理下，ZD的成熟期植株氮积累量和籽粒氮积累量反而显著(<0.05)高于XY，但营养器官最大氮积累量却显著(<0.05)低于XY。添加生物炭后，在165～300 kg·hm的施氮量下，ZD均以C4处理的成熟期植株氮积累量、籽粒氮积累量和营养器官最大氮积累量最高，这说明，生物炭配合氮肥减量，既节省了肥料投入，同时又能保证玉米对氮素的吸收和积累。C4处理下，ZD的成熟期植株氮积累量和籽粒氮积累量均显著(<0.05)高于XY，但营养器官最大氮积累量却显著(<0.05)低于XY，与C0处理下的情形刚好相反。

表1 不同处理对玉米氮积累的影响

将成熟期籽粒氮积累分解为从营养器官转移至籽粒的部分(营养器官氮转移)和从根系转移至籽粒的部分(花粒期根系氮转移)，可以看出，在不添加生物炭的C0处理下，ZD的营养器官氮转移量高于XY，而花粒期根系氮转移量低于XY；在添加生物炭的C1～C4处理下，ZD的营养器官氮转移量均低于XY，且其花粒期根系氮转移对籽粒氮的贡献率均高于XY。这说明，生物炭结合减氮调控措施下，氮高效品种在花粒期根系对氮的吸收活力要优于氮低效品种。这可能是由于氮高效品种根系吸收能力强，氮吸收量大，因而籽粒氮中的大部分都来源于粒重形成阶段根系吸收氮的转移。

2.2 生物炭结合氮肥减量对玉米产量和氮效率的影响

方差分析与多重比较的结果显示：主处理间相比，C3、C4处理的氮吸收效率、氮利用效率、氮效率、产量均显著(<0.05)高于其他处理，其中，C3处理具有高的氮利用效率，C4处理具有高的氮吸收效率。得益于较高的氮利用效率和氮吸收效率，这2个处理的氮效率和产量均显著(<0.05)优于其他处理。副处理间比较，ZD、XY的产量、氮吸收效率、氮利用效率和氮效率均具有显著(<0.05)差异。

C3处理下，氮高效品种ZD和氮低效品种XY的产量均最高，分别为18 105、18 345 kg·hm(表2)，两者无显著差异，但均显著(<0.05)高于CK处理下的相应品种，增幅分别为6.91%、16.92%，ZD在C3与C4处理下的产量差异不显著，但XY在C3与C4处理下的产量差异显著(<0.05)。在氮效率和氮吸收效率方面，无论是对于氮高效品种ZD还是氮低效品种XY来说，均以C4处理下最高，C3处理下次之，且均显著(<0.05)高于其他处理；在氮利用效率方面，两者均以C3和C0处理最高。对于氮高效品种ZD来说，各处理下氮效率、氮吸收效率的最高值分别是最低值的2.05、2.85倍；对于氮低效品种XY来说，各处理下氮效率、氮吸收效率的最高值分别是最低值的1.96、2.59倍。总的来看，生物炭结合氮肥减量，可使氮高效品种在较低的供氮量下仍保持较高的产量，且其氮效率、氮吸收效率等指标也都保持在较高水平上。与氮高效品种相比，氮低效品种的减氮潜力较低，当施氮量从210 kg·hm进一步降低到165 kg·hm时，其产量显著(<0.05)下降。

表2 不同处理对玉米产量和氮效率的影响

2.3 生物炭结合氮肥减量下各主要指标的相关性

对氮效率与相关指标的相关性进行分析(表3)：SPAD值峰值(PCS，数据另文发表)和光合速率峰值(PPR，数据另文发表)与氮效率(NUE)的相关性均未达到显著水平(>0.05)。NUE与氮吸收效率(NUpE)呈极显著(<0.01)正相关，相关系数为0.910 8，但与氮利用效率(NUtE)的相关性不显著(>0.05)，表明氮吸收效率与氮效率的关系更密切，推测其对氮效率的贡献更大，是本研究中决定各处理氮效率差异的主要因素。此外，NUE与营养器官最大氮积累量(MA)呈显著(<0.05)正相关，相关系数为0.653 0；籽粒氮积累量(GA)与成熟期植株氮积累量(TA)呈极显著(<0.01)正相关，与NUpE呈显著(<0.05)正相关，相关系数分别为0.959 8、0.7469；TA与NUpE呈极显著(<0.01)正相关，相关系数达到0.820 6，MA与NUpE呈显著(<0.05)正相关，相关系数为0.637 2。根据以上结果推测，在本试验条件下，氮高效品种的玉米在营养生长阶段地上部营养器官积累氮的能力强，氮积累量高，有助于保证其在后期功能叶和根系不早衰，并向籽粒适度分配转移氮素，同时保障根系对氮素的吸收能力，从而最终实现氮效率的提高。

表3 不同处理下各指标的相关性

3 讨论

目前，在农业生产当中，对大量秸秆进行资源化利用的有效途径之一就是秸秆炭化还田。许多研究表明，向农田中施用生物炭可以有效地降低土壤容重和紧实度，提高土壤含水量，以及土壤碱解氮、速效钾、有机质含量等，从而改良地力。刘慧屿等通过多年的田间定位试验研究了不同氮水平下，添加秸秆生物炭对玉米氮素利用和土壤结构、性质的影响，认为添加秸秆生物炭可以促进植株对养分的吸收，能够有效节肥45 kg·hm(以N计)，并保证玉米产量，同时能使土壤理化性质向良性循环方向发展，对土壤氮素具有“削峰填谷”的调节功能。Xi等研究表明，当生物炭施用量达20 t·hm以上时，约可减少10%的化肥用量；Chan等发现，当生物炭的施用量为20 t·hm或40 t·hm时，水稻的氮肥利用率分别提高7.2%和20.3%。Khan等、高海英等认为，生物炭基肥可显著延长肥料中的养分在土壤溶液中的释放期，使土壤的供氮能力与玉米的氮素需求更加协调，可使玉米在产量形成的关键时期(籽粒灌浆期)充分吸收和利用氮素；同时，生物炭能促进茎秆中的氮素向籽粒转移，从而提高籽粒中的氮素积累量。程效义等研究表明，生物炭与氮肥配施处理下，玉米氮素积累总量增加5.60%，籽粒中的氮素积累量增加17.25%。上述结果都说明，生物炭配施肥料可提高肥料利用率，有助于实现肥料减量。本研究结果也支持上述结论。在本研究中，生物炭3 000 kg·hm+纯N 165 kg·hm处理的氮效率显著高于不加生物炭仅纯N 300 kg·hm，及生物炭3 000 kg·hm+纯N 300 kg·hm的处理。也就是说，生物炭搭配减氮调控的效果要优于单施化肥和生物炭搭配常规用量的氮肥，生物炭与适宜的减氮量在“化肥减量、玉米增效”上表现出较为理想的互作效应，这可能主要得益于生物炭对土壤的改良作用，特别是提升了土壤总体的供肥水平。

本研究同时选用氮高效品种和氮低效品种玉米进行研究，结果发现，对于氮高效品种来说，在搭配施用3 000 kg·hm生物炭的条件下，综合考虑氮效率和玉米产量，氮肥的适宜用量为165～210 kg·hm，较常规施氮量300 kg·hm可节氮90～135 kg·hm，节氮比例在30%～45%，且氮效率可较不加生物炭仅纯N 300 kg·hm的处理提高52.8%～93.3%。对于氮低效品种来说，在搭配施用3 000 kg·hm生物炭的条件下，当氮肥用量从210 kg·hm进一步降低至165 kg·hm时，玉米产量显著降低。综合来看，相较于氮低效品种，减氮调控措施配合生物炭施用能更好地发挥氮高效品种优越的氮吸收能力和氮利用能力，从而在保证产量的基础上实现更高的减氮量。